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chemische Verbindung Aus Wikipedia, der freien Enzyklopädie
Unter Wolframcarbid versteht man meist das Mono-Wolframcarbid WC sowie die daraus gefertigte Nichtoxidkeramik. Es ist eine intermediäre Kristallphase und ein Carbid.
Kristallstruktur | |||||||||||||||||||
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_ W4+ _ C4− | |||||||||||||||||||
Allgemeines | |||||||||||||||||||
Name | Wolframcarbid | ||||||||||||||||||
Andere Namen |
Wolframmonocarbid | ||||||||||||||||||
Verhältnisformel | WC | ||||||||||||||||||
Kurzbeschreibung |
graue, metallisch glänzende, sehr harte, geruchlose Kristalle[1][2] | ||||||||||||||||||
Externe Identifikatoren/Datenbanken | |||||||||||||||||||
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Eigenschaften | |||||||||||||||||||
Molare Masse | 195,86 g·mol−1 | ||||||||||||||||||
Aggregatzustand |
fest | ||||||||||||||||||
Dichte | |||||||||||||||||||
Schmelzpunkt | |||||||||||||||||||
Siedepunkt |
6000 °C[2] | ||||||||||||||||||
Löslichkeit |
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Sicherheitshinweise | |||||||||||||||||||
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Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen (0 °C, 1000 hPa). |
Wolframcarbid ist ein Hartstoff und Bestandteil sogenannter Hartmetalle, die als Werkzeuge dienen (Schneiden von Bohrern, Drehmeißeln, Fräsern usw.).
Als natürliche Bildung ist Wolframcarbid seit 1986 bekannt[4] und seit 2007 als eigenständiges Mineral unter dem Namen Qusongit anerkannt.[5] Das Mineral wird nicht gefördert, da es einfacher industriell aus Wolfram und Kohlenstoff hergestellt wird.
Wolframcarbidpulver wird durch direkte Aufkohlung von Wolfram mit Kohlenstoff hergestellt. Dazu werden Gemische des Metalls mit Ruß oder Graphit bei einer Temperatur von 1400 bis 2000 °C im Vakuum oder unter Wasserstoff erhitzt.[6]
Beim Erhitzen eines Wolfram-Kohlenstoff-Gemisches in einem Kohlenstoffrohr oder Hochfrequenzofen auf ca. 2800 °C erhält man Wolframcarbidblöcke.[7]
Die Produktion beginnt typischerweise mit Wolframerz, Wolframschrott, Scheelit, Wolframsäure oder Ammoniumparawolframat. Für die Herstellung der technischen Wolframcarbidpulver gibt es mehrere Verfahren. Zum Beispiel wird Wolframsäurepulver bei 750 °C durch Wasserstoff zu Wolfram reduziert. Die Metallpartikel werden bei 1400 °C aufgekohlt. Diese Methode wird bei feinen Pulvern mit einer mittleren Korngröße von 1 µm angewendet.[7]
Wolframoxide, Wolframsäure, Ammoniumparawolframat und Scheelit können auch direkt aufgekohlt werden:[7]
Wolfram oder Wolframoxid kann auch durch Gase wie Kohlenstoffmonoxid oder Methan aufgekohlt werden.[7]
Sehr feines Wolframcarbid kann auch durch Reaktion von Wolframerz oder Wolframschrott mit Chlor und anschließender Gasphasenreduktion mit Wasserstoff und Aufkohlung gewonnen werden:[7]
Bei Wolframcarbid handelt es sich um Einlagerungsmischkristalle. Dabei lagern sich durch Aufkohlen Kohlenstoffatome zwischen die Gitterplätze des Wolframs ein. Die Reaktion verläuft über W2C, das Diwolframcarbid, zu WC.
Wolframcarbid entsteht stets bei Reduktion von Wolframoxiden mit Kohlenstoff. Aus diesem Grund muss zur Herstellung von Wolfram aus dessen Oxiden Wasserstoff als Reduktionsmittel verwendet werden.[8]
Die folgende Tabelle zeigt die Produktionszahlen für 2004 in Tonnen pro Jahr:[8]
Region | Westeuropa | Osteuropa | USA | Japan | China | Andere |
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Produktion | 13000 | 1600 | 5800 | 4500 | 13000 | 1170 |
Deutschland importierte zwischen 2007 und 2010 folgende Mengen an Wolframcarbid (in Tonnen):[8]
Jahr | 2007 | 2008 | 2009 | 2010 |
---|---|---|---|---|
Import | 2997 | 3215 | 1374 | 2544 |
Der Verbrauch von Wolfram für die Hartmetallerstellung in Tonnen:[8]
Jahr | China | USA | Europa | Japan | Andere |
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2005 | 12500 | 6500 | 6000 | 4500 | 3000 |
2007 | 13900 | 4600 | 9800 | 4500 | 700 |
2010 | 18800 | 6100 | 6300 | 4900 | 2800 |
Wolframcarbid ist ein grauer geruchloser kristalliner Feststoff, der praktisch unlöslich in Wasser ist.[2]
Diwolframcarbid W2C ist sehr hart und hat eine Schmelztemperatur von 2750 °C. Wolframcarbid WC ist ebenfalls sehr hart und schmilzt bei 2785 °C. Eine eutektische Mischung[9] aus beiden schmilzt bei 2525 °C.
Weitere Eigenschaften von WC:
Wolframcarbid ist Hauptbestandteil vieler Hartmetallsorten, die für Zerspanungswerkzeuge und als Werkstoff für hochbelastete Bauteile wie Druckstöcke oder Umformwerkzeuge benutzt werden. Hugo Lohmann entdeckte beginnend im Jahr 1914 die vielfältigen Möglichkeiten, die sich durch das Abbinden von Wolframcarbid mit Metallen der Eisengruppe unter Verwendung pulvermetallurgischer Arbeitsmethoden ergaben.[10] Wolframcarbid zeichnet sich durch besondere Härte aus, die beinahe so hoch ist wie die von Diamant. Daher stammt der Markenname Widia („Wie Diamant“) für Hartmetallwerkzeug der Firma Krupp.[11]
1929 wurde Pobedit in der UdSSR von der gleichnamigen Firma entwickelt. Spikes von Winterreifen für Fahrräder oder Automobile sind häufig aus Hartmetall. Kugelschreiber sind eine weitere verbreitete Anwendung. Die Kugeln werden aus Hartmetall gefertigt, um einen möglichst geringen Verschleiß garantieren zu können.[12]
Darüber hinaus kann Wolframcarbid als Neutronenreflektor in Kernwaffen eingesetzt werden, um die kritische Masse herabzusetzen.
Seit dem Zweiten Weltkrieg wird Wolframcarbid wegen seiner Härte und gegenüber Stahl gut doppelten Dichte als Kernmaterial in panzerbrechenden Geschossen (Wuchtgeschossen) verwendet, wo es gehärteten Stahl verdrängte. So war Wolfram(carbid) Bestandteil der Panzergranate 40. Ab den 1960er Jahren wurde für diesen Zweck vor allem von den USA deutlich weicheres abgereichertes Uran eingesetzt, dessen Verwendung jedoch umstritten ist (Giftigkeit, Reststrahlung). Daher ist Wolframcarbid weiterhin für panzerbrechende Munition weit verbreitet.[13][14]
Seit einigen Jahren wird Wolframcarbid auch zu Schmuck verarbeitet. Dabei wird dieser mit dem irreführenden Namen Wolframschmuck bezeichnet. Im Uhrenbau wird Wolframcarbid seit 1962 vom Schweizer Armbanduhrproduzenten Rado eingesetzt (erstmals für den Gehäusebau des Modells DiaStar).[15]
Für den Einsatz als Hartmetall werden ca. 6 Massenprozent Cobalt als Bindephase zugesetzt. Die Korngröße von WC-Hartmetallen mit 6 bis 10 % Cobalt als Bindemittel beträgt ungefähr 0,5 bis 1,2 µm. Die Verarbeitung von WC-Hartmetall erfolgt durch Mischen, Mahlen, Grünsintern, Brennen oder Heißisostatisches Pressen (HIPen) bei 1600 bar und 1600 °C.[16] Das Bearbeiten von WC-Hartmetallen ist durch Schleifen sowie mittels Draht- bzw. Funkenerosion möglich. In Spezialfällen werden Kugeln aus Hartmetall mittels Laser durchbohrt (Bohrungsdurchmesser kleiner als 0,25 mm).
Der Umgang mit Hartmetall erfordert besondere Arbeitsschutzmaßnahmen, denn lungengängige Wolframcarbid-Cobalt-Stäube können Lungenfibrose verursachen[17] und es liegen Anzeichen für eine krebserzeugende Wirkung vor.[18] Diese ist auf das enthaltene Cobalt zurückzuführen. Die akute Toxizität von Wolframcarbid ist sehr gering.[7]
Beim Anschwellen eines Fingers, z. B. durch einen Bienenstich oder eine Verletzung, kann es zu schweren Schädigungen kommen, wenn der Blutfluss durch einen Schmuckring behindert oder ganz unterbrochen wird. Die Ringe werden dann notfalls durchgesägt. Da Wolframcarbid-Ringe aufgrund ihrer Härte auf diese Weise kaum trennbar sind, kann es zu Problemen kommen. Es ist jedoch möglich, solche Ringe mittels einer Feststellzange oder ähnlichem zu zerbrechen.[19][20]
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